지난 칼럼 80편을 통해 온열치료와 방사선치료가 활성화하는 면역학적 기전 및 시너지 가능성을 면밀히 살펴보고, 전신 온열치료가 앱스코팔 효과 유도에 기여할 잠재력을 조명했다. 오늘은 앱스코팔 효과와 밀접한 방사선치료와 면역억제성 종양 미세환경에 대한 추가적인 내용을 전하고자 한다.
1) 방사선치료 (Radiotherapy)
면역세포는 방사선에 매우 민감하기 때문에, 초기에는 방사선치료를 면역 억제적이라고 가정하였다. 그러나 Dagoglu, N.(2019) 등과 Wang, X.(2020) 등의 보고에 의한 최근 패러다임 변화로 방사선치료가 면역 시스템을 재프로그래밍하여 종양세포를 공격하도록 유도할 수 있음이 밝혀졌다. 이는 면역원성 세포 사멸(immunogenic cell death, ICD)을 통해 매개되며, 이러한 과정은 바이스탠더 효과(Bystander effect) (각주 1)와 앱스코팔 효과(Abscopal effect)의 주요 기전이다.
1-1) 면역원성 세포 사멸 (Immunogenic Cell Death)
면역원성 세포 사멸(ICD)는 일반적인 세포 사멸(apoptosis)과 달리, 종양세포에서 항원이 방출되고 면역세포가 활성화되는 면역 반응을 유도한다. 방사선에 노출된 종양세포는 다양한 손상 관련 분자 패턴(DAMPs)을 발현하거나 분비하며, 또는 이들을 세포 표면으로 이동시킨다:
· Calreticulin(CRT): 세포 표면에 노출되어 “나를 먹어라” 라는 신호를 보내며, 대식세포와 미성숙 수지상 세포(DC)의 식작용을 유도한다.
· ATP: 골수세포를 활성화하고 미성숙 수지상 세포(DC)를 유도하며, 인터루킨(IL-1β) 분비를 통해 T세포 활성화에 관여한다.
· HMGB1: 죽은 세포에서 방출되어 톨유사수용체(TLR4)와 상호작용하며 항원 제시를 촉진한다.
· HSP70: 세포질에서 이동되어 단핵구, 대식세포, 수지상 세포(DC)를 활성화하고 자연살해(NK)세포의 세포독성 활동을 유도한다.
이러한 손상 관련 분자 유형(DAMPs)들은 TLR(톨유사수용체)을 통해 수지상 세포(DC) 와 대식세포를 분극화 및 활성화시킨다. ([그림1] 참조)
[그림 1] 방사선치료(RT)에 의해 유도된 DAMP 방출과 면역세포에 의한 인식 과정
방사선치료(RT, 번개 그림으로 표시)는 종양세포로부터 ATP, 칼레티큘린(CRT), 고이동성 그룹 박스 1(HMGB1)의 발현을 유도한다. 방출된 DAMPs(손상 관련 분자 패턴)는 면역세포 표면의 퓨린 수용체(purinergic receptors)에 결합하여 신호 전달 경로(signaling cascade)를 활성화한다. 이 경로는 면역세포가 종양세포를 인식하고 반응하는 능력을 향상시키며, 이러한 상호작용은 면역세포가 종양 미세환경으로 활성화되어 유입되는 데 핵심적인 역할을 한다. 결과적으로 항종양 면역 반응이 증대된다.
활성화된 수지상 세포와 대식세포는 종양 관련 항원(TAA)을 흡수하여 림프관을 통해 종양 배액 림프절로 이동하고, 1형 주조직적합복합체(MHC-I) 또는 2형 주조직적합복합체(MHC-II) 분자에 항원을 제시한다. 림프절에서는 세포독성 T 림프구(CTL)와 T헬퍼(Th)세포가 활성화되고 분화하며, NK세포도 활성화 신호를 받아 기능이 강화된다. 이후 이들 면역세포는 혈류를 통해 전신으로 퍼져 항종양 면역반응을 유도한다.
방사선치료로 활성화된 T세포는 종양괴사인자-알파(TNF-α)를 분비하여 골수유래 억제세포(MDSC)를 국소 및 전신적으로 제거한다. 이들 면역세포는 원발성 종양뿐 아니라 전이 병소로 이동하여 앱스코팔 효과를 유도할 수 있다. 단, 림프절이 방사선조사 범위에 포함되면 이 과정이 방해받을 수 있는데, 이는 방사선에 민감한 면역세포가 국소적으로 고갈되기 때문이다.
1-2) cGAS/STING 경로(각주 2)
방사선치료에 의해 유도되는 또 다른 면역 의존적 기전은 cGAS/STING 경로이다. 방사선에 의해 이중 가닥 DNA(double-stranded DNA, dsDNA)가 손상되면 소핵(micronuclei)에 응축되며, 이 소핵의 막은 쉽게 파열되어 DNA가 세포질로 유출된다. 이 dsDNA는 cGAS(cyclic GMP-AMP synthase)에 의해 감지되며, cGAS는 cGAMP를 생성한다. 생성된 cGAMP는 STING(stimulator of interferon genes)에 결합하여 이를 활성화시킨다.
활성화된 STING은 TBK1(TANK-binding kinase 1)(각주 3)을 모집하고 이를 통해 IRF3(interferon regulatory factor 3)(각주4)를 인산화시킨다. IRF3는 핵으로 이동하여 제1형 인터페론(IFN-α/β)의 생성을 유도하며, 이 인터페론은 수지상 세포(DC)의 모집과 T세포의 활성화를 통해 림프절에서 항원 제시를 촉진한다. 또한, 제1형 인터페론(IFN-I)은 케모카인(CXCR3) 수용체 발현을 증가시켜 세포독성 T 림프구(CTL)를 종양 미세환경으로 유도한다. 활성화된 T세포는 IFN-γ를 분비하여 종양세포의 1형 주조직적합복합체(MHC-I) 발현을 증가시키고, 혈관 구조를 조절하여 T세포 이동성을 향상시킨다.
하지만, 8 Gy 이상의 고선량을 3회 이상 조사할 경우, 말단복구 엑소뉴클레아제1(TREX1)이라는 DNA분해효소(DNase: deoxyribonuclease)가 활성화되어 세포질 내 DNA를 분해하고, 이로 인해 cGAS/STING 경로가 억제된다. 결과적으로 수지상 세포(DC)의 모집과 T세포 활성화가 차단되어 면역 매개 전신 반응이 방해받는다. ([그림2] 참조)
[그림 2] 방사선치료에 의한 cGAS-STING 경로의 활성화
방사선치료(RT, 번개 그림으로 표시)는 세포질 DNA(cytosolic DNA)의 방출을 유도한다. DNA는 cGAS(cyclic GMP-AMP synthase)에 의해 감지되며, cGAS는 cyclic GMP-AMP(cGAMP)를 생성한다. 생성된 cGAMP는 소포체(endoplasmic reticulum)에 위치한 STING(stimulator of interferon genes)에 결합하여 이를 활성화시킨다.
활성화된 STING은 TANK-binding kinase 1(TBK1)을 모집하고 활성화시키며, TBK1은 interferon regulatory factor 3(IRF-3)를 인산화한다. 인산화된 IRF-3는 핵으로 이동하여 제1형 인터페론(type I IFNs)의 생성을 촉진한다. 생성된 인터페론은 세포 외부로 분비되어 면역세포의 모집과 활성화를 촉진함으로써 면역 반응을 강화한다. 또한, TREX1이라는 DNA 엑소뉴클레아제는 세포질 DNA를 분해하여 이 경로를 조절한다.
1-3) 종양 미세환경(TME)에 대한 영향
방사선치료는 종양 미세환경(TME)을 조절한다. 방사선치료는 CXCL16, CXCL9, CXCL10 등의 염증성 케모카인과 ICAM-1, VCAM-1, E-selectin 등의 세포 접착 분자 발현을 증가시킨다. 이들은 백혈구가 혈류에서 종양으로 이동하는 데 필수적인 요소이다. 또한, TNF-α, IL-6에 의해 내피세포가 활성화된다.
이러한 변화는 항종양 T세포의 유입을 촉진하고, IL-1, IL-2, IL-6, IL-8, IL-12, VEGF, EGFR, IFN-α, IFN-β, TNF-α 등의 염증성 분자의 분비를 유도하여 면역 활성화 환경을 조성한다.
1-4) 엑소좀 (Exosomes)
세포 간 신호 전달을 통해 앱스코팔 효과가 유도되는 기전 중 하나로 엑소좀이 주목받고 있다. 엑소좀은 면역 자극 또는 면역 억제 분자를 운반할 수 있으며, 방사선에 노출되지 않은 주변 세포도 이 엑소좀을 흡수할 수 있다.
엑소좀은 DNA, 마이크로RNA, 단백질 등을 포함하고 있어, 항원 제시 증가, 면역세포 모집, 세포독성 활성화 등을 유도할 수 있다.
1-5) 방사선치료 방식 및 용량
고선량 방사선치료는 저선량에 비해 항종양 면역 반응을 더 강하게 유도한다. 이는 종양관련항원(TAA) 발현 증가, MHC-I 상향 조절, CD8+ T세포에 대한 항원 제시 증가를 통해 매개된다.
또한, 분할 조사(fractionation) 방식도 면역 조절에 영향을 미치는데, 일부 연구는 고용량 단일 조사가 더 효과적이라고 보고하며, 특히 6~8 Gy 이상의 고용량 분할 조사가 제자리(in situ)에서 백신 효과를 유도한다고 제안한다.
반면, 저선량 RT는 M1형 대식세포 유도, CAF 감소, TGF-β 억제 등의 면역 친화적 환경을 조성하지만, 면역원성이 낮은 세포사멸(apoptosis)을 유도하여 수지상 세포(DC)의 성숙을 방해할 수 있다.
이러한 관찰을 바탕으로, RadScopal™ 기법(각주5)이 제안되었다. 이는 원발 종양에는 고선량 RT, 전이 병소에는 저선량 RT를 적용하여 전신 항종양 면역 반응을 유도하는 전략이다.
1-6) 결론
종양매개항원(TAA)의 방출과 항원제시세포(APC)에 의한 인식, cGAS/STING 경로에 의한 제1형 인터페론 활성화, 염증성 미세환경 형성은 선천 및 후천 면역 시스템을 활성화시킨다. 이로 인해 전신 항종양 효과가 유도되지만, 실제로 앱스코팔 효과는 드물게 관찰된다.
이는 종양세포와 면역억제성 종양미세환경(TME)이 유도하는 항염증 반응으로 면역 활성 상태가 일시적으로 상쇄되기 때문이다.
면역항암치료를 받거나 면역항암치료에 반응하지 않는 암 환자를 대상으로 한 종양 면역 반응을 강화하여 방사선치료 효과를 높이려는 RadScopal™ 기법은 전신 항종양 면역 반응을 유도하는 치료 전략이다. 그러나 앱스코팔 효과를 높이기 위해 다음편 칼럼에서 다룰 온열치료와 병행하는 치료 모형이 필요하다.
각주
1. 바이스텐더 효과((Bystander effect): 방관자 효과 또는 구경꾼 효과라 하며 어떤 사건에 개입하지 않거나 관여하지 않고 그저 바라만 보고 있는 현상을 가리킨다.
2. cGAS(Cyclic GMP-AMP synthase)는 세포질에 노출된 이중 가닥 DNA를 인식하여 선천 면역 반응을 활성화시키는 효소이다. cGAS는 세포질에 있는 DNA를 감지하고, 두 가지 분자를 결합하여 cyclic GMP-AMP(cGAMP)라는 신호 전달 물질을 생성한다. 이 cGAMP는 이후 STING이라는 단백질과 결합하여 면역 반응을 유도하는 핵심적인 역할을 수행한다.
3. TBK1(TANK-binding kinase 1)은 면역 반응, 세포 사멸, 자가포식 등 다양한 세포 과정을 조절하는 핵심 효소이다. 주로 선천 면역 및 항바이러스 반응에서 중요한 역할을 하며, 염증 반응을 활성화하고 암세포의 생존 및 항암제 저항성과도 관련이 있다.
4. IRF3는 인터페론 조절 인자 3(Interferon regulatory factor 3)의 약자로, 바이러스 감염에 대한 선천 면역 반응에 중요한 역할을 하는 단백질이다. IRF3는 세포 내에서 염증 및 면역 반응을 유도하는 중요한 단백질인 인터페론(IFN)의 생성을 조절한다.
5. RadScopal™ 기법은 고선량의 방사선 치료(H-XRT)를 주된 종양에 집중시키고, 저선량의 방사선 치료(L-XRT)를 다른 종양에 적용하여 면역항암제의 효과를 높이는 치료법이다. 이 기법은 면역항암치료를 받거나 면역항암치료에 반응하지 않는 암 환자들을 대상으로 하며, 종양의 면역 반응을 강화하여 치료 효과를 증진시키는 것을 목표로 한다.
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